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软启动器在污水处理厂应用中注意的问题
RSS 打印 复制链接 发布时间:2017-12-30 09:10:33

前言

污水处理厂在污水处理过程中,进水泵、回流泵、离心脱水机等大型设备,一是基本上24小时连续运行,根据维护保养周期遵循先开先停原则,循环启停备用设备;二是根据来水水量、水质的变化和工艺运行需要,适时调整运转台数和运行时间,进行设备启停操作。为减少大型设备启动过程中对电网和设备的冲击等弊端,原来多采用星—三角启动、自耦变压器降压启动等方式。随着电机软启动器普及应用,原有启动方式逐步被取代,实现了设备无冲击平滑启动,对于高扬程大流量潜水离心泵设置软停车功能,同时根据负载特性设定限流值和起动时间等起动过程中的参数,应用软启动器自身配置的电机保护功能,减少了控制、保护回路,提高了电气保护灵敏性和可靠性,电气故障普遍减少,维修费用普遍降低。 (图一)中比较了同一台电机,同样负载条件下,直接起动、星/三角起动和软起动三种启动方式下,电动机电压 (V)、电动机电流 (I) 的不同情况,可以看出软起动器是通过降低启动电压,实现小启动电流。电机输入电压从设定的初始值开始按照预设的函数关系逐渐上升,直至起动结束,赋予电机全电压,使电机转速平滑增加,直至起动结束到达额定速度。

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软启动器工作原理与运行特点:

1.1. 交流调压电路原理介绍

交流—交流(AC—AC)变换是一种可以改变电压大小、频率、相数的电力变换技术。只改变电压大小或仅对电路实现通断控制而不改变频率的电路,称为交流调压电路和交流调功电路。从一种频率交流变换成另一种频率交流的电路则称为交—交变频器,它有别于交—直—交二次变换的间接变频,是一种直接变频电路。

交流调压电路采用两单向晶闸管反并联(图二(a))或双向晶闸(图二(b),实现对交流电正、负半周的对称控制,达到方便地调节输出交流电压大小的目的,或实现交流电路的通、断控制。因此交流调压电路可用于异步电动机的调压调速、恒流软起动,交流负载的功率调节,应用领域十分广泛。工作原理:VT1组工作时,负载Z的电流io 为正;VT2组工作时,负载Z的电流io 为负。两组晶闸管按一定的频率交替工作,负载Z就得到该频率的交流电,改变两组晶闸管的切换频率, 就可以改变输出频率;改变变流电路工作时的晶闸管门极控制角,就可以改变交流输出电压的幅值(如图三)。

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(图二) 单相交流调压电路

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(图三) 单相交流调压电路控制方式

(1)晶闸管通断控制

在交流电压过零时刻导通或关断晶闸管,使负载电路与交流电源接通几个周波,然后再断开几个周波,通过改变导通周波数与关断周波数的比值,实现调节交流电压大小的目的。通断控制时输出电压波形基本正弦,无低次谐波,但由于输出电压时有时无,电压调节不连续,会分解出分数次谐波。

(2)交流电压波形的相位控制

在交流的正半周时触发导通正向晶闸管、负半周时触发导通反向晶闸管,且保持两晶闸的移相角相同,以保证向负载输出正、负半周对称的交流电压波形。相位控制方法简单,能连续调节输出电压大小。为使uo 波形接近正弦波,可按正弦规律对晶闸管门极控制角进行控制(如 图四)。

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(图四) 单相交流调压电阻负载上波形

1.2. 软启动器工作原理

软启动器是以交流—交流(AC—AC)变换技术为基础,结合自动控制和单片机技术,实现软启动、软停车和多保护功能于一体的智能电机控制设备, 通过控制串接于电源与电机之间的三相反并联晶闸管的导通角,使被控电机的输入电压从设定的初始值经过可整定的斜率时间,逐渐上升到供电电网电压,其功能类似于调压器,在电机起动时,输出只改变电压并没有改变频率。

( 图五所示)为软启动器主要组成部分,电路类似三相全控桥式整流电路。

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(图五)软起动器原理示意图

电机软启动器主回路由晶闸管(SCR)组成,通过对交流三相电源进行相位控制和斩波,控制输出电压幅度给电机;应用互感器将检测信号送至单片微处理器,通过计算,给晶闸管驱动电路发出启动运行信号,驱动电路根据接收的控制信号,发出相应信号触发晶闸管的门极,通过控制晶闸管门极触发角的大小来改变晶闸管的开通程度,从而完成对电动机的软启动和软停车的理想化的控制,实现控制电机启停目的;人机界面单元实现用户的参数设置、显示设备的运行状态、故障等。(控制框图见图六)。

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(图六) 软启动的控制框图

1.3. 软启动主要启停方式

软启动器的启动方式是指使电动机由静止态到稳定的运转壮态的方法。在接受到外部启、停命令后,按照预先设定的启、停方式实现对电机的控制。常规可选的启动控制模式有电压斜坡起动,斜坡恒流软启动, 脉冲突跳起动(有助于克服静阻矩),以及这些方式的交替或组合起动方式等。

1.3.1.1电压斜坡启动:

如(图七)所示,电机在启动过程中输出力矩随电压增加,在起动时软启动器提供一个初始启动电压。初始启动电压大小可根据负载情况进行调整,使其对应的输出力矩调到大于负载静摩擦力矩时,负载能立即开始转动,这时输出电压开始按一定的斜率上升(斜率可调),电机不断加速。在起动过程中软启动器自动检测电压、转速,当输出电压达到额定电压(或电网电压)时,电机达到额定转速,主回路接触器吸合,启动过程完成。 软启动器的初始启动电压US一般能在30%~65%额定电压间可调,这时对应的启动转矩为10%~36%直接启动转矩。

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1.3.1.2 斜坡恒流软启动

如(图八)所示,电机在启动初始阶段启动电流逐渐增加,当电流达到预先所设定的值后保持恒定,直至启动完毕。根据电机负载情况调整、设定电流上升变化速率。电机定子电流上升速率大,则启动转矩大,启动时间短。这种启动方式在风机、水泵类负载应用比较多。

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1.3.1.3 脉冲突跳起动:

如(图九)所示,有些电机负载的转动惯量比较大,如球磨机、轧钢机、皮带输送机等,必须施加一个短时的较大起动力矩,以克服电机转动惯量,所以在软起动器上设置了脉冲突跳方式,这一起动开始阶段,让晶闸管在极短的时间内全导通,可以短时输出95%的额定电压(相当于90%直接起动转矩),脉冲突跳结束后,根据斜坡设定值继续起动,进入恒流起动,如采用此方式,还可以减少启动时的振动。

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1.3.2.停止功能

软启动器有三种停止方式

1.3.2.1自由停止:直接切断电源,电机依靠惯性自由停车。

1.3.2.2软停止(图十):有时不希望电动机突然停止,采用软停止方式。在接收停机信号后,电机端电压逐渐减小,转速下降到可调整斜坡时间,适用于惯性力矩较小的水泵类负载,污水厂进水泵房进水泵,可以应用软停车方式,软启动器在接到停车指令后执行软停止程序,输出电压由全电压线性降低,使水泵电机按所设定的速率逐渐减速直到完全停止,消除了停机瞬间的“水锤”效应。

1.3.2.3 直流制动(图十):当给出停车信号后,将直流注入电动机加快制动,直流制动时间可以选择。主要用于惯性力矩大的负载或需要快速停机的场合,还可用于准确停车功能,该功能用于要求定位控制停车的场合。

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1.4运行状态

软启动器有四种运行状态:

1.4.1在线运行模式:晶闸管处于全导通状态,电动机工作于全压方式,电压斜坡分量可以完全忽略,常用于短时重复的电动机。

1.4.2接触器旁路工作模式:在电动机达到满速运行时,用旁路接触器来取代已完成任务的软起动器,这样可以降低晶闸管的热损耗,提高系统效率。可以用一台软起动器起动多台电动机。

1.4.3节能运行模式:异步电机是感性负载,在运行中,定子线圈绕组中的电流滞后于电压。如电机工作电压不变,处于轻载时,功率因数低,处于重载时,功率因数高。软启动器能实现在轻载时,通过降低电机端电压,减少电动机电流励磁分量,提高功率因数,减少电机的铜耗、铁耗,达到轻载节能的目的;负载重时,则提高电机端电压,确保电机正常运行,起到了节能效果。

1.4.4调压调速方式:软起动器可以作调压调速运行,因电动机转子内阻很小,要得到大范围的调速,就需在电动机转子中串入适当的电阻。

1.5保护和监控

软启动器液晶显示器可显示电流、电压、功率、功率因子、电动机温度、运行时间和快速故障诊断信息。在通信方面,提供了标准的串行通信口,可通过键盘和LED以菜单形式设置参数,提供良好的人机界面。

保护功能有过载保护功能:软起动器引进了电流控制环,因而随时跟踪检测电机电流的变化状况。通过增加过载电流的设定和反时限控制模式,实现了过载保护功能,当电机过载时,关断晶闸管并发出报警信号;工作时软起动器随时检测三相线电流的变化,一旦发生断流,即可作出缺相保护反应;通过软起动器内部热继电器检测晶闸管散热器的温度,一旦散热器温度超过允许值后自动关断晶闸管,并发出报警信号。

一般软启动器,2~5倍电动机额定电流可调,按负载曲线提供过载保护;输入、输出缺相时速动跳闸;晶闸管短路、散热器过热、转子堵转、电机内热敏电阻阻值大于规定值时,延时跳闸;热故障信号、电动机过载及温升超过临界阈值时,自动停机。停机后,如果电动机温度依然过高,软起动器的热控制装置可防止重新启动;同时还具有电源掉电、欠电压、过电压等保护。

2、软启动器的选型

软启动器的选型首先要考虑设备启动负载特性、启动频繁程度及工作现场环境,其次还要考虑软启动器技术、性能及价格。

对于污水处理厂水泵类启动负载较轻的设备,可根据电动机额定功率,选用样本规定的相同容量的通用型软启动器就能满足需要。对于大型通风机、鼓风机、皮带机等启动负荷比较重的设备,应该选用启动功能比较多、有限流启动功能、自身保护比较齐全的软启动器。

一般情况下,如果软启动器正常工作时每次启动间隔时间小于2min,超过30次/h,即可定为频繁启动。在频繁工作的场所选取软启动器要按电动机的起动电流选取,应加大选取软启动器的容量,根据频繁度的不同取1.2-1.5倍。同时由于晶闸管频繁工作,为了排除晶闸管散发的大量的热量,软启动器必需带有机械风冷。

在污水处理厂潮湿和腐蚀性大的作业场所应选择内置旁路型软启动器。该软启动器特点是内部设置了一套触头与晶闸管并联,在电机软启动过程和软停车过程中由晶闸管运行,触头断开,当电动机正常运行时晶闸管关闭,触头闭合。这套动作过程是通过单片机自动完成的,晶闸管只在启动和停车工作,启动后退出工作,避免了晶闸管在线运行所带来的功耗与散热;单片机对电动机起到启停与保护及其控制; 由于晶闸管和触头组合一体的设计,通过单片机实现控制,因此可靠性高,同时外部电路简单,避免外置式接触器等电器元件,由于腐蚀等出现的故障。

在选择软启动器还要注意,是否能达到通讯控制以及故障自珍诊断功能;是否具备完备的保护功能、冷却方式以及运行方式等,如:过电流保护,过压保护,单项接地保护,缺相保护,三相不平衡保护等。柜体是否需加机械通风,元器件的排布是否合理,机械风冷的柜体加机械通风,软启动器正上方不能放电器元件,留出通风散热空间;运行方式分在线型和非在线型,选型时尽量选用非在线型。

3. 软启动器在污水厂运行中应注意的几个问题:

3.1 晶闸管击穿:电子器件的使用寿命与温度有着直接关系,当运行的环境温度超过其运行极限温度时,其使用寿命急剧缩短,运行温度过高,会造成晶闸管击穿,因此软启动器应具有良好的通风散热性,如盘柜散热条件不好,就会减少晶闸管的使用寿命,从而造成晶闸管击穿;过于频繁的启动会使晶闸管严重过热而可能烧毁。环境腐蚀性气体影响是另一原因,由于软启动器在运行过程中需要散热,通过机械通风,将柜体外的新风引入,新风流过晶闸管散热器,带走热量,达到降温目的,但如果新风中含有腐蚀性气体,必然会对晶闸管、驱动板及主板控制元件腐蚀,造成损坏;晶闸管击穿一旦被击穿,就相当于二极管,失去其电子开关特性,如此时启动,电机将承受很大的启动电流的冲击,严重时将会烧毁电机。因此软启动器在污水厂使用时,应该综合考虑通风散热与防止腐蚀性气体影响,必要时应在电气间加装制冷空调或通过风道将清洁新风引入软启动柜进行散热。

3.2 由于过电压、过热或腐蚀造成驱动板及主板控制元件损坏,对于驱动板来说,它主要是提供触发脉冲,以改变晶闸管导通角,由此来改变电动机输入电压的大小。当驱动板出现问题时,不能提供触发脉冲,触发不了晶闸管工作; 触发脉冲不同步,即改变晶闸管的导通角不一样,此时电动机的三相电流不平衡,电动机将出现很大噪音或导致电机启动失败。  

3.3 启动时电机不转并有异响,原因分析:一是启动参数或启动曲线不合适造成电机起不来,应依据负载特性,检查软启动器设定参数是否正确; 二是污水中杂物较多是否造成电机堵转; 三是判断电机是否缺相,晶闸管中的一只触发不可靠或是不导通,此时一相电路通过的是半波直流,电动机的两相绕组通过的直流对电动机起到了制动作用,不仅电机起不来,严重的还会烧毁电机和晶闸管。

3.4 启动时跳闸。原因可能是启动峰值电流过大; 负载过载、缺相或短路。应先调高启动电压设定值后再试; 对于惯性较大的重负载可适当延长启动时间可降低电流峰值; 检查软启动器可控硅回路是否有被击穿或开路现象; 在断开软启动器上下端回路的前提下检查电机和电缆绝缘是否正常。

3.5 利用PLC(可编程控制器)与软启动器相结合方法,实现一台软启动器对多台通类型设备进行软启动;解决通类型设备之间的顺序循环软启动,这样可以减少软启动器的数量,降低投资和维护费用。

3.6 由于污水处理厂中大型设备一般是24小时连续运行,因此应用软启动器时应采用接触器旁路工作模式,这样可以降低晶闸管的热损耗,提高系统效率。

4 结束语

软启动器在污水处理厂的普及应用,解决了电机直接启动过程中对电网和机械设备的冲击,软停车功能解决了水泵停车时的“水锤”效应,完善的电机综合保护功能,提高了设备可靠性及安全性,因此应大量提倡软启动器的使用,代替传统启动器。在实际应用中要重视根据负载特性和工作现场环境选用软启动器,合理调整各种参数,实践证明,如果参数调整不当,可能造成启动失败,严重时造成设备损坏,同时应加强软启动器日常维护保养工作。

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